灰分分布系數對柴油機性能的影響研究

呂 譽,沈穎剛,李 青,陳貴升,盧申科

(1.昆明理工大學 云南省內燃機重點實驗室，昆明 650500；2.云南菲爾特環(huán)保科技股份有限公司,昆明 650300)

0 概述

柴油機顆粒捕集器(diesel particulate filter, DPF)生命周期內需要不斷地通過氧化再生的方式清除碳煙以恢復其性能[1]，但柴油機排放物中包含的磷化物、硫化物及金屬氧化物等不可再生的物質無法通過氧化再生的方式進行清除，這些成分會不斷地累積并聚合在DPF孔道內部形成灰分[2]。灰分的存在將會極大地影響DPF及柴油機的性能。

文獻[3]中通過建立DPF單孔道模型，研究了壁面灰分層對DPF捕集過程的影響。文獻[4]中研究發(fā)現灰分沉積會顯著改變顆粒物在DPF中的遷移沉積規(guī)律和碳煙層的微觀結構。文獻[5-6]中建立了灰分分布對DPF壓降影響的評價函數，研究發(fā)現非對稱孔結構載體有利于降低DPF壓降。文獻[7]中研究了灰分對DPF捕集效率的影響，結果表明DPF捕集效率會隨灰分量的增加而升高。文獻[8]中研究發(fā)現在載體入口通道頂部設置一層致密的膜層可極大地提高DPF捕集效率。灰分不僅會影響DPF的壓降和捕集特性，還會顯著影響DPF再生特性，灰分量的增加會提高DPF再生頻率[4]。為了提高DPF主動再生觸發(fā)時刻判斷的準確性，文獻[9]中建立了更加精確的DPF炭載量理論計算模型。文獻[10]中提出了一種采用發(fā)動機排氣溫度和排氣流量作為增益補償的DPF主動再生目標溫度控制方法，可降低實際工程應用中標定工作的復雜程度。文獻[11]研究表明，灰分量的增加不僅會增加DPF再生相關的油耗，其壓降增加還會導致發(fā)動機原機油耗增加。目前，中國排放法規(guī)也在逐步推進對內燃機碳排放的限制[12-13]，因而研究灰分及DPF對發(fā)動機熱效率的影響十分必要。

目前國內外對灰分成分及其對DPF性能的影響研究相對較多，但較少涉及灰分對柴油機性能特別是經濟性的影響。本文中通過構建柴油機耦合DPF的一維熱力學模型，系統(tǒng)闡述了灰分分布系數對柴油機性能的影響，并重點分析了灰分分布系數對柴油機系統(tǒng)熱效率的影響，以期為DPF的工程應用提供一定的理論支持。

1 模型構建與驗證

基于某直列4缸柴油機建立帶DPF的一維熱力學模型，并對模型進行可靠性驗證。柴油機基本性能參數見表1，DPF技術參數見表2。

表1 柴油機主要參數

表2 DPF主要參數

1.1 柴油機模型介紹

零維燃燒模型將缸內熱力學狀態(tài)視為均勻場，不考慮氣體狀態(tài)參數隨空間的變化，模型較為簡單，計算工作量較小，因而被廣泛使用。然而，隨著發(fā)動機技術的發(fā)展，由于計算精度低，零維燃燒模型已經無法滿足現代發(fā)動機的預測研究。因此，本研究中燃燒模型采用準維燃燒模型——Hiroyasu油滴蒸發(fā)模型，提高了模型預測精度，并通過對燃燒室空間進行分區(qū)處理，在一定程度上對排放污染物進行預測[14]。傳熱模型選用經典的半經驗Woschni GT傳熱模型。為了便于計算，模型對發(fā)動機熱平衡進行了一定的簡化處理，如式(1)所示，燃油有效總能量由式(2)計算得到。

Q=Pe+Qt+Qe+Qf

(1)

(2)

式中，Q為燃料燃燒釋放的總能量；Pe為有效功率；Qt為傳熱損失；Qe為排氣損失；Qf為摩擦損失；N為發(fā)動機轉速；nr為活塞循環(huán)往復運動次數(四沖程)；nc為氣缸數；Hf為燃料低熱值，J/kg；Lf為燃料蒸發(fā)潛熱值，J/kg；mf,i,gas為燃油以氣體狀態(tài)進入氣缸i時的瞬時質量流量，kg/s；mf,i,liq為燃油以液體狀態(tài)進入氣缸i的瞬時質量流量，kg/s。

1.2 DPF模型介紹

為方便模型計算與收斂，對DPF數值模型進行如下理論假設：(1) 忽略膠黏區(qū)，將載體視為絕熱材料；(2) 將排氣視為理想氣體，假設排氣顆粒粒徑相同且分布均勻，假設灰分粒徑相同。

壁流式DPF由一系列交替堵塞的進、排氣孔道組成，排氣流經進氣孔道進入過濾體后由于進氣孔道后端被堵塞，氣流只能流經開孔的過濾壁面從相鄰的排氣孔道流出。圖1為排氣流經DPF的結構示意圖。過濾壁面實際為一層多孔介質，碳煙顆粒通過慣性碰撞、重力沉降和流動攔截等物理方式被捕集下來。隨著DPF不斷再生，一系列不能氧化的金屬粒子不斷聚合形成硫化物、磷化物和金屬氧化物，即灰分。綜上，排氣流經DPF的壓降通常包含7部分，如式(3)所示。

圖1 DPF內部結構示意圖

Δp=Δp1+Δp2+Δp3+Δp4+Δp5+
Δp6+Δp7

(3)

(4)

(6)

(7)

排氣流經過濾體產生的壓降滿足Darcy定律，載體進出口孔道壓降模型滿足式(8)方程[15]。

(8)

式中，Δp、Δp1、Δp2、Δp3、Δp4、Δp5、Δp6、Δp7分別為DPF壓降、進口孔道收縮壓降、進氣孔道內壓降、碳煙層發(fā)生的壓降、灰分層產生的壓降、過濾壁面產生的壓降、排氣孔道內壓降和出口膨脹損失壓降；pg,1為進口孔道壓力；pg,2為出口孔道壓力；Fnfw，A和Fnfw,B分別為過濾體進口、出口孔道幾何系數；vw,1為進口孔道壁面流速；d1為進口孔徑；d2為出口孔徑；kw為壁面滲透率；kac為灰分層滲透率；ksc為碳煙層滲透率；ksd為深床碳煙層滲透率；μ為流體的運動黏性系數；δw為壁面厚度；δac為灰分層厚度；δsc為碳煙層厚度；δsd為深床碳煙層厚度；leff為孔道有效長度；ζinl為縮口摩擦損失系數；ζout為擴口摩擦損失系數；ρinl為進口孔道氣流密度；ρout為出口孔道氣流密度；vinl為進口孔道氣體流速；vout為出口孔道氣體流速。

1.3 模型驗證

為保證計算準確性，需要對模型進行可靠性驗證。圖2為發(fā)動機轉矩、有效燃油消耗率、渦后排溫和NOx比排放的試驗值與模擬值驗證對比。由圖2可知，模擬值與試驗值整體趨勢變化一致且誤差較小，模型可以滿足對發(fā)動機實際運行工況的預測需求。

圖2 轉矩、有效燃油消耗率、渦后排溫和NOx比排放試驗值與模擬值對比

針對DPF模型的壓降驗證如圖3所示。將DPF內碳煙加載至炭載量2 g/L，為避免高轉速時因DPF再生影響數據可靠性，因而在1 000～2 400 r/min條件下對DPF進行壓降驗證。由圖3可知，模擬值與試驗值整體趨勢一致，且誤差較小，模型可靠性較高。

圖3 DPF壓降驗證(炭載量2 g/L)

2 灰分對DPF性能的影響

DPF內不同灰分分布系數的灰分通過影響載體孔道的流通面積和有效過濾長度影響DPF壓降和捕集效率，而DPF壓降則會直接影響發(fā)動機進排氣特性，從而影響發(fā)動機性能。本研究中設置DPF灰分量為33 g/L，炭載量為6 g/L，定義灰分分布系數F為DPF壁面灰分質量mlayer與灰分總質量mall之比(式(9))，研究不同灰分分布系數對DPF和柴油機性能的影響。

(9)

柴油機轉速越高，排氣流量越大，流速越高，因而DPF壓降隨轉速上升而升高，如圖4所示。同一轉速下，隨著灰分分布系數增加，DPF壓降增大，當灰分分布系數超過0.6時，DPF壁面灰分超過閾值，流通面積迅速縮小，DPF壓降急劇升高。灰分分布系數對DPF捕集效率的影響也示于圖4中。由圖4可知，轉速越高，排氣流量和流速增加，DPF空速增大，顆粒物更加容易逃逸，因而DPF捕集效率隨轉速升高而降低。隨著灰分分布系數增加，DPF壁面的層狀灰分厚度增加，有利于碳煙的捕集，同時灰分分布系數越大，灰分堵頭更小，DPF有效過濾長度更大，這些均有利于捕集效率的提高。

圖4 不同灰分分布系數下轉速對DPF壓降和捕集效率的影響(炭載量6 g/L，灰分量33 g/L)

3 灰分對柴油機性能的影響

3.1 灰分分布系數對柴油機性能的影響

灰分分布系數對柴油機動力性能的影響如圖5所示。相比于原機，加裝DPF后柴油機轉矩有所下降，灰分分布系數越大，轉矩下降幅度越高。灰分分布系數小于0.6時，隨著灰分分布系數增加，柴油機轉矩雖然有所下降，但下降幅度相對較小。灰分分布系數0.8時柴油機轉矩相對于灰分分布系數0.6時有較大幅度下降，這是因為灰分分布系數為0.8時，堆積在壁面的層狀灰分質量太大，孔道流通面積下降超過一定閾值，流通阻力急劇增加，使得柴油機進排氣效率急劇下降，進氣充量降低，空燃比減小，同時缸內氣流運動減弱，導致柴油機缸內燃燒過程惡化，最高燃燒壓力下降，因此轉矩在灰分分布系數為0.8時急劇下降。隨著轉速增加，灰分及其分布系數對進氣充量和空燃比的影響變大，因而中高轉速下灰分對柴油機動力性的影響更大。

圖5 不同灰分分布系數下轉速對柴油機性能的影響(炭載量6 g/L，灰分量33 g/L)

灰分分布系數不僅會影響柴油機動力性，同時會使其經濟性下降。灰分分布系數對有效燃油消耗率和有效熱效率的影響見圖6。由圖6可知，隨灰分分布系數增大，排氣背壓升高導致進氣充量降低，空燃比下降，燃燒效果變差，柴油機有效燃油消耗率升高。柴油機有效熱效率也隨灰分分布系數增大而下降。下文將詳細闡述灰分對柴油機系統(tǒng)熱效率的影響。

圖6 不同灰分分布系數下轉速對有效燃油消耗率和有效熱效率的影響(炭載量6 g/L，灰分量33 g/L)

灰分分布系數越大，柴油機缸內空燃比越小，混合氣越濃，排氣溫度越高(圖7)。雖然排氣溫度有所上升，但缸內空燃比下降更加不利于NOx的生成，因而NOx排放量隨灰分分布系數增大而下降；高轉速時灰分對空燃比的影響更大，所以柴油機高轉速時的NOx排放量下降幅度更大。灰分分布系數的增大使得缸內氧濃度下降且排氣溫度上升，恰好為碳煙生成提供了高溫缺氧的條件，因而灰分分布系數越大，碳煙排放量越大。隨著柴油機轉速上升，進氣充量更大且流速增加，灰分產生的背壓對進氣充量的影響隨轉速上升而變大，因而灰分對柴油機中高轉速的排放特性影響更大。

圖7 不同灰分分布系數下轉速對排放和渦后排渦的影響(炭載量6 g/L，灰分量33 g/L)

3.2 灰分對柴油機系統(tǒng)熱效率的影響

當前柴油機的發(fā)展不僅需要滿足排放法規(guī)對污染物的限制要求，還需要控制碳排放，即提高柴油機熱效率。柴油機熱效率已經不單指機內熱效率，而是涵蓋后處理裝置的柴油機系統(tǒng)熱效率。由于灰分無法通過再生的方式進行清除，隨著DPF工作時間的增加，灰分對柴油機背壓的影響逐漸增大。本研究中將柴油機和DPF視為整體，綜合分析了灰分對柴油機系統(tǒng)熱效率的影響。

選擇柴油機中等轉速(2 000 r/min)工況，研究灰分分布系數協(xié)同炭載量對柴油機原機熱效率的影響，如圖8所示。柴油機有效熱效率隨灰分分布系數增大而降低，炭載量增加時，柴油機系統(tǒng)熱效率隨灰分分布系數增大而下降的幅度增大。灰分分布系數小于0.6時炭載量對柴油機熱效率的影響相對較小；灰分分布系數大于0.6時柴油機熱效率隨炭載量增加迅速降低。

圖9為柴油機2 000 r/min、100%負荷條件下，DPF灰分量為33 g/L時，不同炭載量下灰分分布系數對柴油機有效燃油消耗率的影響。DPF無灰分加載時，柴油機有效燃油消耗率隨炭載量增加幾乎沒有變化。灰分量為33 g/L時，各灰分分布系數下柴油機有效燃油消耗率均隨炭載量增加而升高，且灰分分布系數越大，柴油機有效燃油消耗率隨炭載量增加而升高的幅度越大。將無灰分加載時的柴油機有效燃油消耗率作為基準燃油消耗率，定義灰分量為33 g/L時不同灰分分布系數的有效燃油消耗率與基準燃油消耗率之差為有效燃油消耗率增量。不同炭載量下有效燃油消耗率增量均隨灰分分布系數增加而上升，如圖10所示。灰分分布系數對柴油機有效燃油消耗率的影響不容忽視，尤其是較大的灰分分布系數會極大地增加柴油機有效燃油消耗率。

DPF內灰分累積量不僅影響柴油機經濟性，還直接影響DPF再生經濟性。對于基于壓降的DPF再生控制策略而言，灰分沉積將會極大地影響主動再生時機的判斷。將DPF壓降為25 kPa作為觸發(fā)主動再生的判定依據，圖11為柴油機2 000 r/min、100%負荷時，不同灰分分布系數觸發(fā)再生時對應的炭載量。灰分分布系數為0.2、0.3、0.4、0.5觸發(fā)再生時的炭載量分別為7.56 g/L、5.32 g/L、3.00 g/L、0.89 g/L。當灰分分布系數大于0.5以后，即使DPF沒有碳煙加載也會一直處于主動再生狀態(tài)。若在炭載量6 g/L時觸發(fā)主動再生過程，則灰分分布系數0.2～0.8(間隔0.1)再生時對應的DPF壓降分別為23.14 kPa、25.90 kPa、29.26 kPa、33.26 kPa、38.97 kPa、48.01 kPa、65.00 kPa(圖12)，其中灰分分布系數為0.6～0.8時壓降過大，將會嚴重影響柴油機缸內燃燒過程。若將炭載量 6 g/L、壓降25 kPa視為最佳再生時機，并將此時的再生頻率定義為1.0，灰分分布系數為0.2時再生頻率小于1.0，炭載量已超過安全的主動再生炭載量即 6 g/L，此時觸發(fā)主動再生過程將會有再生風險。灰分分布系數為0.3的再生頻率比較接近理想再生頻率；繼續(xù)增大灰分分布系數，再生頻率急劇增加；當灰分分布系數超過0.5后主動再生狀態(tài)將會一直處于激活狀態(tài)。因此，僅依靠壓降判斷主動再生時機的方法的精確度會隨灰分量增加而下降。

圖12 灰分分布系數對再生頻率的影響和DPF壓降(炭載量6 g/L，灰分量33 g/L)

4 結論

(1) 灰分分布系數越大，DPF壓降和捕集效率越高，灰分分布系數超過0.6以后DPF壓降迅速升高。

(2) 灰分分布系數增大，柴油機轉矩、缸內最高壓力及NOx排放量均下降，碳煙排放量升高，灰分分布系數對柴油機中高轉速工況影響更大。

(3) 灰分分布系數對柴油機系統(tǒng)熱效率影響的閾值為0.6，灰分分布系數大于0.6時會導致柴油機系統(tǒng)熱效率的影響迅速下降。

(4) 僅依靠DPF壓降對主動再生時刻進行判定，其誤差會隨灰分量的增加而增大。